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Rigol MSO8000 Mixed-Signal-Oszilloskop bis 2 GHz

Erweitertes Embedded-Debugging mit Jitter- und Echtzeit-Augenanalyse

Einführung

Das Debuggen von Embedded-Kommunikation ist eine der häufigsten Aufgaben für Ingenieure im Elektronik-Design. Eine effiziente Analyse der seriellen Kommunikation erfordert mehr als nur einfaches Triggern und Dekodieren, aber in der Vergangenheit bestand ein erheblicher Kostenunterschied zwischen Oszilloskopen mit Mixed-Signal-, seriellen Trigger- und seriellen Dekodier-Funktionen auf der einen Seite und Hochleistungs-Geräten mit erweiterter Analyse auf der anderen. Ingenieure benötigen die Fähigkeit, langfristige Signalqualitäts-Merkmale wie Jitter- und Augenmuster testen zu können, ohne in extrem teure Lösungen investieren zu müssen.

Das Rigol MSO8000 bietet derzeit die wohl umfassendsten Analyse-Funktionen, den tiefsten Speicher und die höchste Abtastrate seiner Klasse. Das Rigol MSO8000 wurde für Embedded-Design und Debugging entwickelt, um Ingenieuren die schnelle Überprüfung und das Debugging serieller Kommunikation mit einem überschaubaren Budget zu ermöglichen. Dieser Artikel wirft einen Blick darauf, wie die leistungsstarken Spezifikationen des MSO8000 für Sampling, Speicher und Analyse verwendet werden können, um komplexe Signale schnell und einfach mit Hilfe der Jitter- und Augenanalyse zu debuggen.

Jitter charakterisieren

Die Takt-Genauigkeit ist entscheidend für eine leistungsstarke digitale Datenübertragung. Feinste Änderungen in der Takt-Frequenz wirken sich auf die Fehler-Raten und den Datendurchsatz aus, aber diese Timing-Fehler lassen sich in einer herkömmlichen Oszilloskop-Ansicht nicht so einfach visualisieren. Es kann aber eine Jitter-Analyse für diese Art von Signalen durchgeführt werden. Unter Ausnutzung der hohen Abtastrate und des tiefen Speichers vergleicht das Oszilloskop die Zeitveränderungen zwischen Tausenden von Takt-Übergängen. Dadurch ist es möglich, Zeitschwankungen unterhalb von 100 ps zu visualisieren und Änderungen im Takt über einen längeren Zeitraum zu verfolgen.

Rigol MSO8000 TIE mit Jitter

Bild 2: TIE Trend-Grafik zeigt periodischen Jitter.

Einer der Schlüssel zur Visualisierung von Jittern ist der TIE (Time Interval Error/Zeitintervall-Fehler). Der TIE ist der Zeitunterschied zwischen dem Auftreten der erwarteten und der tatsächlichen Takt-Flanke. Es gibt zwei Haupt-Visualisierungstools, die beim TIE zum Debuggen verwendet werden: Die erste ist die TIE-Trendkurve. Hier wird der akkumulierte Fehler der TIE-Werte angezeigt in der Zeit. Dieser Trend ist ein wertvolles Debug-Tool, da er periodische Arten von Jittern hervorhebt. Abbildung 2 zeigt das Hochgeschwindigkeits-Taktsignal auf Kanal 1 (gelb) und den TIE-Jitter-Trend in lila. Die vertikale Achseneinheit für den hier gezeigten TIE-Trend beträgt 10 ns/Div. Der Trend zeigt, dass sich der Jitter-TIE periodisch akkumuliert. Das bedeutet, dass ein periodisches Signal oder Ereignis die Takt-Frequenz beeinflusst. Als nächstes wird der TIE-Trend mit Cursor-Messungen untersucht, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Cursor machen es einfach, die Periode des Signals zu erkennen und die Frequenz zu berechnen (1/ΔX). Es können auch direkte Messungen des TIE-Trends durchgeführt werden. Der Zeitraum dieser Änderungen ist ein wichtiger Hinweis auf die Ursache für Jitter-Probleme.

Rigol MSO8000 TIE Cursor-Messung

Bild 3: TIE Trend-Grafik, Cursor-Messung.

Rigol MSO8000 TIE und Histogramm

Bild 4: TIE Trend-Grafik und Histogramm.

Zusätzlich zum TIE-Trend kann auch die Verteilung der TIE-Werte berechnet werden. Die Form und Standardabweichung der TIE-Werte ist ein wichtiger Bestandteil bei der Bestimmung der Fehlerursache. Das Signal über dem Histogramm ist in Abbildung 4 dargestellt.

Wenn der TIE-Trend und die TIE-Verteilung zum Debuggen und Lösen von Jitter-Problemen eingesetzt wird, ist es wichtig, das Wesen der TIE-Werte und -Trends zu verstehen. Zur Erinnerung: TIE wird als die kumulierten Änderungen in der Periode des zugrunde liegenden Signals berechnet. Das bedeutet, dass das TIE-Diagramm wie das Integral der Veränderungen in der Periode aussieht. Daher stellt die in den bisherigen Abbildungen dargestellte Dreieckswelle eine rechteckförmige Veränderung in der Periode dar. Dies ist entscheidend für das Verständnis, wie man den Signal-Jitter debuggen kann. Der TIE-Trend zeigt die Periodenänderungen, die sich linear verlängern (Dreieck steigt) und dann die Periodenänderungen, die sich linear verkürzen (Dreieck fällt). Wenn der TIE linear ansteigt, muss die Periode länger als die erwartete Periode sein, aber auf einem festen Wert, da die Summe linear ist. Wenn der TIE linear abnimmt, ist die Periode um einen festen Wert kürzer als erwartet. Daher ändert sich die Periode zwischen zwei festen Werten bei diese Frequenz. Einer ist knapp über und einer ist knapp unter der erwarteten Periode. In diesem Fall suchen wird daher nach einer 10 kHz Rechteckwelle, die unser Taktverhalten irgendwie beeinflusst. Wir können aus dem Histogramm erkennen, dass diese Fluktuation konstant zu sein scheint, da die TIE-Verteilung gleichmäßig und symmetrisch über diese Werte verteilt ist.

Nachdem im Beispiel verschiedene Signale „in der Nähe“ auf dem zu testenden Gerät untersucht wurden, wurde eine zeitkorrelierte Rechteckwelle gefunden (Abbildung 5 (blau dargestellt) bei der Frequenz, die den Taktung beeinflusst.

Rigol MSO8000 Fehlersuche mit Jitter-Analyse

Bild 5: Fehlersuche mit Jitter-Analyse.

Jitter kann unter anderem oft durch Probleme mit PLLs, Stromschwankungen oder Emissionen verursacht werden. Hier einige Anwendungsfälle, in denen die Histogramm-Daten für die Korrektur der Jitter-Analyse wichtig sind:

Rigol MSO8000 Standard-Abweichung des Histogramms

Bild 6: Standard-Abweichung des Histogamms.

Abbildung 6 zeigt eine bimodale Verteilung der TIE-Werte im Histogramm mit einem sinusförmigen TIE-Trend. Hier sieht man, dass die Standardabweichung (Sigma in der Histogramm-Statistik) etwa 3,2 ns beträgt. Da diese Trends einen Mittelwert von nahezu Null haben, kann die Standardabweichung auch als Effektivwert des Signals angenähert werden (dargestellt in der Effektivwertmessung unten links). Da sowohl Sinuswellen als auch Dreieckwellen ein Integral haben, das optisch sinusförmig erscheint, kann es schwierig sein zu erkennen, ob die zugrunde liegenden Änderungen der Taktperiode eher dreieckig oder sinusförmig sind. Die Standardabweichung und das Histogramm sind zusätzliche Werkzeuge, mit deren Hilfe bestimmt werden kann, welche Signale störend sein könnten. Häufig zeigt das Signal-Timing eine schärfere Korrektur oder Snapback zum Nominal-Timing, da der Takt neu ausgerichtet wird. Visuell kann dies eher wie eine Rampe oder ein Sägezahn aussehen. Das Histogramm kann helfen, die Asymmetrie zu visualisieren, wenn das Signal langsam driftet und dann schnell korrigiert wird.

Rigol MSO8000 Asymmetrie in Histogramm-Ergebnissen

Bild 7: Asymmetrie in den Histogramm-Ergebnissen.

Abbildung 7 ist ein gutes Beispiel für eine asymmetrische Jitter-Verteilung, die im Jitter-TIE-Trend noch nahezu sinusförmig erscheint. Eine solche Verteilung erleichtert es, den Prozess zu lokalisieren, der die Schwankungen verursachen könnte.

Ein wichtiger Schlüssel zu Jitter-Messungen ist es, sich bewusst zu machen, dass es hier um Datenintegrität und letztlich um Fehler geht, die Systemzeit oder Bandbreite kosten. Mit anderen Worten, es geht nicht nur darum, wie stark das Timing schwankt, sondern auch darum, wie der Empfänger die Daten sieht. Aus diesem Grund ist es wichtig, das Signal auf Jitter so zu testen, dass der Empfänger auch die Takteinstellungen bestimmt. Bei serieller Kommunikation kann der Takt explizit sein, d. h. es wird zu diesem Zweck ein Takt-Signal übertragen. Es kann auch eine konstante Takt-Frequenz durch den Kommunikations-Standard definiert sein. Es ist zudem auch üblich, dass der Empfänger den Takt über eine PLL-Schaltung aus dem Signal selbst rückgewinnt (Clock Recovery).

Rigol MSO8000 dynamische Clock-Recovery

Bild 8: Dynamische Clock-Recovery/Takt-Rückgewinnung.

Das Design des Empfängers hat einen immensen Einfluss auf Jitter und Timing. Wenn der Empfänger eine konstante Taktfrequenz bei einer Geschwindigkeit von 70 Mb/s verwendet, erscheint der Jitter wie in den obigen Abbildungen dargestellt. Wenn der Empfänger eine PLL 1. Ordnung mit 200 kHz Bandbreite verwendet, kann er einen Großteil des Niederfrequenz-Jitters, den wir bei 10 kHz gesehen haben, eliminieren. Dies ist in Abbildung 8 dargestellt. Das Rigol MSO8000 kann explizite, konstante PLL- und PLL-Clock-Recovery-Systeme erster Ordnung emulieren, um Jitter- oder Augendiagramm, präzise so zu messen, wie es vom Empfänger gesehen wird. Dies sind wichtige Fähigkeiten, um kritische Timing-Probleme genau zu debuggen und unbedeutende Probleme zu ignorieren. Sobald die Clock-Recovery korrekt emuliert wird und die wichtigsten Ursachen für Jitter beseitigt sind, kann in den TIE-Trend auf 500 ps/Div gezoomt werden (Abbildung 9). Man erkennt immer noch einige periodische Schwankungen, aber sie wurden deutlich reduziert und haben möglicherweise keinen Einfluss mehr auf die Bitfehlerrate. Sobald alle Jitter im System ausreichend abgehandelt worden sind, können Rauschquellen unter 500 ps/Div erkannt werden, wie in Abbildung 10 dargestellt. Das Oszilloskop MSO8000 erlaubt auch eine direkte statistische Tabellen-Ansicht der TIE-Werte sowie der Cycle-to-Cycle-Werte und der Werte, die sowohl aus der positiven als auch aus der negativen Breite berechnet werden. Zusammengenommen ermöglichen es diese Jitter-Tools, Timing-Probleme in wichtigen seriellen Kommunikations-Verbindungen sorgfältig zu visualisieren und zu analysieren.

Rigol MSO8000 verbleibender Jitter

Bild 9: Verbleibender Jitter.

Rigol MSO8000 Jitter-Messungen

Bild 10: Jitter-Messungen.

Signalqualität und das Augen-Diagramm

Das Timing ist nur eine der Charakteristika, die zur Gesamt-Signalqualität beitragen. Das Ziel aller Signalqualitäts-Analysen ist es, Datenfehler in der Sender-Empfänger-Verbindung zu reduzieren. Fehler werden oft durch Timing- und Taktprobleme verursacht, aber Probleme, die sich aus der Anpassung von Bandbreite, Erdung, Rauschen und Impedanz ergeben, können sich darauf auswirken, wie ein Bits durch den Empfänger interpretiert wird. Die beste Methode zur Visualisierung der ganzheitlichen Datensignal-Qualität ist der Test mit Hilfe es Augen-Diagramms. Echtzeit-Augen-Diagramme sind eine hervorragende Möglichkeit, serielle Datenverbindungen zu validieren und zu debuggen, bei denen Durchsatz und Bitfehlerrate für die Systemleistung wichtig sind. Das Augen-Diagramm analysiert die Datenübertragung und richtet das Bit-Timing auf den wiederhergestellten Takt aus. Hier stehen die gleichen Optionen zur Takt-Wiederherstellung zur Verfügung wie im Jitter-Toolkit. Das Augen-Diagramm wird dann erstellt, indem jedes Bit ausgerichtet und überlagert wird. Aus Tausenden von Bitfolgen wird ein Dichtediagramm erstellt. Dies wird als Augen-Muster oder Augen-Diagramm bezeichnet, da seine Form einem offenen Auge ähnelt, das sich auf jeder Seite zu einem Punkt hin schließt. Ziel ist es, ein offenes Auge zu erreichen, bei dem die Bithöhe (0 oder 1) in der Mitte des Auges korrekt interpretiert wird.

Rigol MSO8000 Augen-Diagramm eines fehlerhaften Signals

Bild 11: Augen-Diagramm eines fehlerhaften Signals.

Das Augen-Muster in Abbildung 11 zeigt einige mögliche Probleme. Abhängig von den vom Benutzer einstellbaren Schwellenwerten berechnet das Gerät die Breite und Höhe des Auges. Dieses Signal hat eine Bandbreiten-Begrenzung. Dies lässt sich aus der Kurve interpretieren, denn die Steigung der steigenden und fallenden Flanken auf jeder Seite des Auges ist nicht so steil, wie es das Design vorsieht. Analytisch lässt sich dies feststellen, indem man die Augenhöhe, Augenbreite und Signalanstiegszeit auf dem Bildschirm mit den Design-Unterlagen vergleicht. Es scheint auch eine gewisse Frequenz-Unsicherheit in Bezug auf den wiederhergestellten Takt zu geben. Im Histogramm ist erkennbar, dass die Verteilung der Periode nicht gaußförmig ist, was für eine nicht-zufällige Kausalität für die Frequenz-Verschiebungen hindeutet. Schließlich erkennt man noch Rauschen, das dazu führen, dass die Amplitude schwankt. Dadurch wird das Auge vertikal geschlossen.

Rigol MSO8000 Augen-Diagramm bei verbessertem Timing

Bild 12: Augen-Diagramm bei verbessertem Timing.

Die Verwendung des Augen-Diagramms als visuelles Debugging-Tool bewertet die Kabel und Verbindungen. Zu achten ist zudem auf Layout, Übersprechen oder andere Emissionen, die die Signalqualität beeinträchtigen könnten. Sobald das Signal entfernt wurde, das die Frequenz-Schwankungen verursacht, sieht man in Abbildung 12, wie sich das Auge zu öffnen beginnt. Das violette Histogramm zeigt nun, dass die verbleibenden Zeitfehler zumindest symmetrisch sind. Auch dadurch wird die Augen-Breite im Fenster des Augen-Diagramms verbessert.

Rigol MSO8000 Augen-Diagramm bei verbessertem Rauschen

Bild 13: Augen-Diagramm bei verbessertem Rauschen.

Abbildung 13 ist das Ergebnis, nachdem die nahegelegene Rauschquelle identifiziert und entfernt wurde. Dies verbessert die Augen-Höhe und -Breite und das gesamte Signal ist präziser. Nun ist klar, dass die steigenden und fallenden Bit-Übergänge nicht den gleichen High- oder Low-Pegel erreichen, wie die nicht-übergehenden Bits. Man erkennt zudem, dass die steigenden und fallenden Flanken selbst mit diesen Zeit- und Spannungseinstellungen eine Steigung von etwa 45° aufweisen. Die Entwurfs-Dokumentation gibt an, dass diese höher sein sollte. Dies ist wahrscheinlich ein Bandbreiten-Problem, das sowohl die Anstiegszeit der Übergänge begrenzt als auch das Auge vertikal schließt, wenn das Signal nicht ganz bis zu seiner Spitze oder Basis in der Mitte des Bits zurückkehrt.

Abschließend zeigt Abbildung 14 eine verbesserte Bandbreite nach Änderung der Senderschaltung. Die Histogramm-Verteilung verdeutlicht, dass dadurch auch einige der Ausreißer in der Signalzeit-Messung beseitigt wurden. Die verbesserte Bandbreite zeigt sich deutlich in der verbesserten Anstiegszeit sowie einem vertikal vollständig offenen Auge.

Rigol MSO8000 Augen-Diagramm nach Debugging und Verbesserungen

Bild 14: Augen-Diagramm nach Debugging und daraus abgeleiteten Verbesserungen.

Rigol MSO8000

Bild 15: Rigol Mixed-Signal-Oszilloskope der MSO8000 Serie.

Fazit

Embedded-Design und Debugging von digitalen Daten ist eine kritische Anforderung in aktuellen Elektronik-Produkten. Moderne Hochleistungs-Digital-Oszilloskope erweitern die Analyse-Möglichkeiten und machen sie dem Ingenieur für den täglichen Gebrauch zugänglich. Die UltraVision II-Technologie der Rigol Oszilloskope aus der MSO8000-Serie (Abbildung 15) ergänzen Analyse-Möglichkeiten für Jitter und Augen-Diagramm, die eine vollständige Signalqualitäts-Analyse erschwinglich und einfach zu bedienen machen. Die Jitter- und Augen-Diagramm-Analyse des MSO8000 vereinfacht das Visualisieren, Analysieren und Lösen von Problemen mit Timing, Rauschen, Bandbreite und allgemeiner Signal-Qualität in seriellen Daten-Verbindungen. Mit neuen Analyse-Funktionen, die auf dem tiefen Speicher und der hohen Abtastrate der UltraVision-II-Plattform basieren, sind die Oszilloskope der Rigol MSO8000-Serie das leistungsstarke Debugging-Tool der Wahl für den heutigen Embedded-Ingenieur.

Meilhaus Electronic Übersetzt nach Unterlagen von Rigol.